Koldioxidavtrycket för en framtida Higgs-fabrik kan variera med nästan en faktor 100, beroende på den valda designen och dess placering. Det är slutsatsen av en analys av fysiker i Europa som har studerat de potentiella efterföljarna till CERNs Large Hadron Collider (LHC). Forskarna drar slutsatsen att den föreslagna Framtida Circular Collider (FCC), som skulle vara baserat på CERN och kopplat till LHC, skulle vara det mest miljövänliga eftersom det skulle förbruka mindre energi och ge lägre koldioxidutsläpp per producerad Higgs boson än konkurrerande konstruktioner (arXiv: 2208.10466).
Efter upptäckten av Higgs-bosonen 2012 vid LHC planerar partikelfysiker att bygga en kraftfullare partikelkolliderare. Den framtida maskinen, känd som en Higgs-fabrik, skulle krossa elektroner med positroner för att möjliggöra mer detaljerad undersökning av egenskaperna hos Higgs-bosonen och andra partiklar.
Det finns för närvarande fem förslag på en högenergi positron-elektronkollider, med Internationell linjär kolliderare (ILC) i Japan, Cool Copper Collider (C3) i USA och Kompakt linjär kolliderare på CERN allt baserat på linjäracceleratorer. FCC och China Electron Positron Collider (CEPC) i Kina är samtidigt cirkulära kolliderare.
Det finns olika argument kring fysikmöjligheterna för de olika kolliderkonstruktionerna, men CERN partikelfysiker Patrick Janot och hans kollega Alain Blondel hävdar att på grund av den höga energiförbrukningen för alla framtida kolliderar, bör den betydande miljöpåverkan av konstruktionerna också beaktas.
"Vi föreslår att framtida högenergifysikprojekt inte bara inkluderar kostnaden och prestandan för kollideren, utan också dess koldioxidavtryck per fysikresultat, och att använda dessa data i designen och valet av den "bästa" kollideraren." Janot berättade Fysikvärlden.
Forskare analyserar koldioxidavtryck från planerade neutrinoexperiment
I sin analys fann duon att FCC var den mest energieffektiva designen och förbrukade 3 MWh el för varje Higgs-boson som den producerade. Näst bäst var CEPC på 4.1 MWh per Higgs-boson, medan den mest energikrävande designen är C3 (18 MWh/Higgs-boson).
Forskarna undersökte sedan kolintensiteten i elproduktionen i de olika länderna i hopp om att vara värd för en framtida högenergikolliderare. FCC var återigen bäst och släppte ut 0.17 ton CO2 ekvivalenter (t CO2 ekv.) per producerad Higgs-boson. ILC skulle under tiden producera cirka 50 gånger mer CO2 ekvivalenter (9.4 t CO2 ekv. per Higgs boson). FCC:s låga utsläpp beror delvis på att cirka 80 % av energin som produceras i Frankrike kommer från kärnkraftverk, och därför mestadels kolfri.
Teamet fann att FCC:s koldioxidavtryck kunde förbättras ytterligare om designen ökade antalet interaktionspunkter från två till fyra. I detta scenario skulle varje producerad Higgs-boson förbruka 1.8 MWh energi och släppa ut 0.1 ton koldioxid2 ekvivalenter.
Janot tillägger att analysen fokuserar på miljöpåverkan av fysikresultatet och energiförbrukningen av att driva den föreslagna Higgsfabriken. Han tillägger att det är en del av en mycket större förstudie om FCC, som bland annat kommer att täcka miljöpåverkan från olika faser av projektet. Detta kommer till exempel att omfatta tunnelbyggen och installation och drift av kolliderarna. Men han påpekar att "energiförbrukningen under drift är den största bidragsgivaren till koldioxidavtrycket från en högenergikolliderare".
Andra faktorer
Fysiker Kumiko Kotera från Sorbonne University i Paris, som har genomfört en analys av det potentiella koldioxidavtrycket för projektet Giant Array for Neutrino Detection (GRAND), berättade Fysikvärlden att energiförbrukning och koldioxidutsläpp per Higgs boson är en vettig jämförelse. Kotera förklarade dock att för att producera en mer exakt koldioxidavtrycksanalys utöver kolliderens energiförbrukning måste energiförbrukning relaterad till dataanalys och simuleringar och andra kopplade digitala tekniker, såsom datalagring, också beaktas.
CERN godkänner fortsatt arbete med Future Circular Collider – men försenar det slutliga beslutet
Kotera tillägger att en fullständig analys också måste ta hänsyn till sina medlemmars internationella resor, även om hon misstänker att detta skulle vara mindre energikrävande än kolliderande operationer och digital teknik.
Janot håller med om att mer kan göras och tillägger att CERN arbetar på sätt att minska sitt koldioxidavtryck. Dessa inkluderar bland annat energiåtervinning, hantering av elförbrukningen för att maximera användningen av koldioxidsnåla källor samt sätt att utveckla internationella samarbeten som minimerar resandet.
